Первые опыты по изучению статического электричества приписываются Фалесу Милетскому (7-6 в. до н.э.), однако углубленное его изучение начались только в 17 веке. И если на начальном этапе электростатика способствовала изучению природы электричества и магнетизма, то в настоящее время она является опасным явлением.
Время чтения: 9 минут
В этой статье рассмотрим:
Что из себя представляет электростатический разряд?
Многие слышали об антистатических материалах и о приспособлениях, обеспечивающих защиту от электростатического разряда (ЭСР). Но для чего нужна эта защита и чем опасен ЭСР? Для ответа на этот вопрос взглянем на причины появления электростатического заряда, условия возникновения разряда, а также на результаты этого воздействия.
Электростатический заряд
Все вещества состоят из молекул, они же, в свою очередь, – из атомов. Каждый атом имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а также электроны, вращающиеся вокруг ядра. При этом протоны являются носителями положительных зарядов, а электроны – отрицательных. В большинстве молекул число электронов равно числу протонов, что делает их общий заряд нейтральным.
И все было бы хорошо, если бы в целом нейтральные вещества не обладали бы трибоэлектрическим эффектом – типом контактной электризации.
Все материалы, в том числе и диэлектрики, могут генерировать электростатические заряды. Чаще всего это происходит при контакте и последующем разделении материалов.
В качестве примеров можно привести:
- разделение слоев при размотке рулона ленты;
- трение жидкости или газа о стенки трубы при их движении;
- трение ворсистых предметов о ровные диэлектрические поверхности (резину, пластик и т.п.)
Действительно, простое разделение двух поверхностей вызывает перенос электронов, в результате чего одна из них приобретает положительный, а другая отрицательный электрозаряд. Подобный эксперимент Вы можете провести самостоятельно.
На количество генерируемого заряда влияет материал, длительность и интенсивность взаимодействия поверхностей, площадь контакта, а также относительная влажность окружающей среды. Так, например, при более низкой влажности генерация электрозаряда будет более интенсивная. А в пластмассовых материалах трибоэлектрический эффект проявляется более ярко.
Электростатический разряд
Если два предмета имеют одинаковый электростатический заряд, то есть они эквипотенциальны, то никакого разряда между ними произойти не может. Однако, если эти предметы имеют разные уровни одного потенциала или же их потенциал противоположен (то есть один заряжен положительно, а другой отрицательно), то электрозаряды будут стремиться к достижению равновесного состояния. И если предметы будут находиться достаточно близко друг к другу, то между ними может произойти быстрая самопроизвольная передача электростатического заряда. Это явление называется разрядом или электростатическим разрядом (ElectroStatic Discharge - ESD).
Примеры ЭСР из повседневной жизни:
- молния, возникающая во время грозы;
- потрескивания при ношении или снятии шерстяной, или шелковой одежды;
- «укол» при прикосновении к металлическим элементам: батарее отопления, к дверной ручке и т.п.
В обычных условиях, например, в быту, совершается бесчисленное количество электростатических разрядов. Большинство из них мы не ощущаем. Для того чтобы человек почувствовал «удар», требуется разность потенциалов не менее 2000 Вольт. При этом для возникновения крупной электрической дуги – нужно колоссальное количество зарядов, не способное появиться в бытовых условиях.
В домашних условиях электростатический разряд является лишь небольшой неприятностью, однако в высокотехнологичном производстве он является скрытым врагом. Современные электронные схемы могут буквально сгореть или расплавиться от этих миниатюрных молний. Поэтому контроль электростатического разряда необходим. Он позволяет уменьшить частоту образования зарядов, а также снизить вероятность повреждения электронных компонентов.
Типы повреждений устройств, вызываемых ЭСР
Повреждение электронных компонентов электростатическим разрядом может привести к:
- появлению внезапного отказа;
- образованию скрытых дефектов.
Внезапный отказ приводит к необратимому выходу из строя элемента, чувствительного к электростатическому разряду. Воздействие ЭСР может вызвать расплавление металла, разрушение соединения или пробой изоляции. Существует высокая вероятность обнаружить внезапный отказ при обычном осмотре.
Стоимость ущерба от ЭСР
Внезапный отказ электронного компонента является наименее дорогостоящим типом повреждения от электростатического разряда, поскольку он может быть обнаружен и устранен на ранней стадии производства. Однако скрытые дефекты, вызванные ЭСР, обходятся дороже, потому что такие повреждения невозможно увидеть или обнаружить с помощью обычных процедур проверки. При этом конечный продукт успешно проходит все этапы проверки и уходит на реализацию.
Периодически возникающие сбои могут вызывать разочарование покупателей. Когда продукт возвращается производителю, с информацией о возникающей проблеме, то он проходит полную проверку. Однако если производитель не может выявить причину неисправности, потому что она у него не повторяется, то товар с нерешенной проблемой вновь возвращается покупателю. Поэтому наличие подобных скрытых дефектов может серьезно повлиять на репутацию не только продукта, но и самой компании.
Наихудшим случаем является такая ситуация, когда продукт уже установлен в системе клиента и работает какое-то время стабильно, а затем возникают сбои. Устранение неполадок и ремонт в этой ситуации могут быть очень дорогими. Одно из исследований показало, что стоимость ремонта напрямую влияет на каком этапе выявлен дефект. Так, например, при стоимости элемента в 100 рублей ущерб составляет:
| Этап, на котором выявлен дефект | Стоимость ущерба |
|---|---|
| До установки элемента | 100 руб. (замена элемента) |
| Элемент установлен на печатную плату | 10000 рублей (замена платы) |
| Элемент на печатной плате установлен в системе | 100000 рублей (ремонт устройства или его замена) |
| Выход из строя устройства и системы из-за элемента | 1000000 рублей (восстановление системы и устройства) |
По оценкам отраслевых экспертов, средние потери электронных продуктов из-за статического электроразряда составляют от 8 до 33%. Другие оценивают реальную стоимость ущерба в электронной промышленности от ЭСР в миллиарды долларов в год.
Заключение
По мере развития технологий электронные схемы становятся меньше и компактнее. По мере уменьшения размеров уменьшается не только толщина электрических цепей, но и изоляционных слоев между ними. Всё это еще сильнее увеличивает чувствительность современной электроники к электростатическому разряду.
Очевидно, что потребность в надлежащей защите от электростатического разряда постоянно растет. Поэтому крайне важно знать о наличии чувствительных электронных компонентов, используемых на вашем предприятии. И если они у вас есть, то необходимы принадлежности для защиты от ЭСР.
Наша компания предлагает: антистатические изоляционные коврики, браслеты, инструменты и различное оборудование с антистатической защитой. Если вам требуются более специфичные ESD устройства, то его мы можем подобрать его под заказ. Они обеспечат защиту электронных компонентов от негативного действия разрядных токов.
